南屯煤矿软岩泵房支护技术研究

南屯煤矿深部泵房加固技术研究王九红刘承志田夫乾兖州煤业有限公司南屯煤矿273515摘要南屯煤矿–670泵房始建于上世纪九十年代末，至今已使用了十几年。由于使用时间较长，且受周边工作面采动影响，水泵房应力水平较高，围岩变形较大，围岩及支护破坏较严重。究其原因，主要是由于深部巷道工程所处的高的地应力环境，特别是由于深部复杂的地质构造而产生的高的构造应力，加之多水平开采造成的开采动压影响，使得深部巷道围岩节理裂隙极为发育、岩体结构极为破碎，从而造成支护难度增大，严重威胁矿井安全生产。针对深部岩体结构及力学特性，结合南屯煤矿深部巷道支护问题，在–670泵房深部巷道围岩采取防膨胀超细注浆材料加固技术，取得了良好的效果，为矿井的安全生产提供了保障。关键词深部巷道围岩防膨胀超细注浆材料支护技术前言根据南屯煤矿工作面接续实际，即将进入深部九采区3下层煤的准备及回采，工程地质条件极为复杂。九采区二叠系山西组3上层煤和3层煤为近距离煤层，夹层间距一般都小于6m，最小仅0.72m。属于典型的近距离煤层多工作面开采。而目前在近距离煤层安全开采及支护技术方面，国内外尚无可以借鉴的经验。因此，为缓解南屯煤矿采区和工作面的接续紧张局面，消除安全隐患，提高企业的社会经济效益，充分回收国家煤炭资源，对南屯煤矿九采区近距离煤层安全开采技术进行研究”。一、近距离煤层叠加应力场分布规律研究为了模拟相邻不同位置工作面回采对近距离煤层采矿区下部煤层中应力的影响，建立工程地质模型，模型中包含对3下煤层中工作面煤体内应力分布造成影响的93下07工作面、93上05工作面和93上03工作面（图1），通过模拟得出与93下05相邻不同位置的工作面回采的应力分布规律，为近距离煤层采空区下工作面回采巷道的优化布置和稳定性控制提供理论依据。FLAC3D2.10ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSASettings:ModelPerspective14:06:10SatSep122009Center:X:1.500e+002Y:-3.500e+002Z:-4.750e+002Rotation:X:10.000Y:0.000Z:0.000Dist:1.180e+003Mag.:1Ang.:22.500BlockGroup3下07下顺槽3上05下顺槽3上03上顺槽3上05上顺槽3上05工作面3上03工作面3下07工作面图1模型中工作面布置图数值模拟结合理论分析结果表明，近距离煤层叠加应力通过煤柱在底板中传播并不是沿着煤柱方向也不是沿着垂直于底板方向，而是沿着与煤柱方向呈一定夹角的方向传播。而且应力等值线并不是完全沿着传播方向两边对称，如果只考虑附加应力，在煤柱沿着倾向方向底板全部为压应力区，而在反方向上底板会出现一部分拉应力区。这些倾斜煤层煤柱下底板内附加应力场的分布特点对近距离煤层采空区下巷道的布置方式和支护方式的选择都有指导意义。数值计算结果表明，近距离煤层采空区下煤层叠加应力场分为三个区，即叠加应力区、应力降低区、原岩应力区。其中两种叠加应力区：两个工作面之间的侧向支承压力叠加区、工作面超前支承压力与其他工作面侧向支承压力叠加区，后者峰值应力较大，对3下煤层开采具有较大影响。同时，存在两种垂直应力降低区：顺槽附近一定范围内、采空区边缘处。可以利用应力降低区布置3下煤层回采巷道，减少垂直应力对巷道稳定性的影响，叠加应力区和应力降低区以外的其他区域为原岩应力区。二、近距离煤层回采巷道优化布置研究根据近距离煤层叠加应力场的时空分布规律，将近距离煤层采空区下回采巷道布置于应力降低区，在安全、经济的原则下，确定了93下05工作面上下顺槽的最优布置方式。93下05工作面上顺槽附近3下煤层中的垂直应力峰值所在位置标于图3内，在尽可能减少煤柱损失的情况下93下05工作面上顺槽最优布置位置位于93上05上顺槽下方，在两个垂直应力最大值线之间，93上05工作面上顺槽与93下07工作面下顺槽之间煤柱留设6～10m。图23下煤层垂直应力分布最大值与最小值（上顺槽侧）93下05工作面下顺槽附近3下煤层中的垂直应力峰值所在位置标于图3内，93下05工作面上顺槽最优布置位置位于93上05工作面采空区下方。综合分析表明，将93下05工作面下顺槽布置于93下05工作面采空区下方离93上05工作面与93上03工作面区段煤柱水平距离5～10m处。沿空巷道的布置位置受到应力分布和围岩结构的双重影响。根据上述分析，结合围岩应力分布规律可以看出，在距93下07采空区下帮煤壁6m范围内煤岩体围岩结构较差，以碎裂结构为主，在6m以外的范围，围岩结构较好，以块裂结构为主，但3下煤的顶板仍以碎裂结构为主。因此，留设6～10m的煤柱较为合理。图33下煤层垂直应力分布最大值与最小值所在位置图（下顺槽侧）三、近距离煤层回采巷道稳定性控制对策在近距离煤层叠加应力场的分布规律研究和近距离煤层复杂开采条件下回采巷道优化布置研究的基础上，同时考虑到近距离煤层采空区下回采巷道顶板破碎条件，确定了近距离煤层采空区下回采巷道的支护设计方案，对采用的支护方案利用数值模拟方法对回采巷道在掘进期间和回采动压影响期间进行了分析。针对常规锚网支护方案，建立近距离煤层开采采场动压影响下巷道工程地质模型（图4）和支护工程模型（图5），分析工作面顺槽巷道掘进期间的变形破坏过程.FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSASettings:ModelPerspective19:05:35SatFeb122011Center:X:2.502e+001Y:6.000e+000Z:1.598e+001Rotation:X:360.000Y:0.000Z:360.000Dist:1.581e+002Mag.:1Ang.:22.500BlockGroup上顺槽3下煤9307采空区细砂岩粉砂岩夹矸93上05采空区煤柱粉细砂岩互层FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSASettings:ModelPerspective19:05:35SatFeb122011Center:X:2.502e+001Y:6.000e+000Z:1.598e+001Rotation:X:360.000Y:0.000Z:360.000Dist:1.581e+002Mag.:1Ang.:22.500BlockGroup上顺槽3下煤9307采空区细砂岩粉砂岩夹矸93上05采空区煤柱粉细砂岩互层图4工程地质力学模型FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep25492ModelPerspective19:03:35SatFeb122011Center:X:3.135e+001Y:6.000e+000Z:1.466e+001Rotation:X:360.000Y:0.000Z:360.000Dist:1.581e+002Mag.:5.96Ang.:22.500SELGeometryMagfac=1.000e+000SELGeometryMagfac=1.000e+000图5支护工程模型通过对数值模拟结果的分析，研究巷道位移场的变化、塑性区的产生和扩展过程以及支护体受力的变化，发现近距离煤层巷道在矿用常规支护工况下，变形破坏是一个渐变的恶性循环的过程：巷道开挖→围岩应力状态改变浅部围岩变形未能有效控制，浅部围岩出现塑性松动圈顶板岩体开始滑移帮部煤岩体垂向和水平位移同时增加底板塑性区煤岩体开始滑移，底板开始向巷道内鼓起围岩塑性松动圈逐步扩展转移至深部，塑性区与顶板及帮部已形成的塑性区连结，裂隙贯通顶板岩层加速失衡帮部岩体垂向和水平位移加剧底板塑性区逐步扩大，底臌不断增大加剧顶板和帮部变形→支护体失效，直至巷道最终破坏。根据南屯煤矿93下05工作面上覆采空区的地质情况和夹矸厚度在2～5.5m之间，提出两种支护工况，其中，工况一为锚网+工字钢双棚支护（图6），工况二为注浆锚杆+钢筋网+钢带+底角锚管支护（图7）。FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep23497ModelPerspective21:09:07SatFeb122011Center:X:3.017e+001Y:6.000e+000Z:1.341e+001Rotation:X:360.000Y:0.000Z:360.000Dist:1.581e+002Mag.:5.96Ang.:22.500SELGeometryMagfac=1.000e+000SELGeometryMagfac=1.000e+000SELGeometryMagfac=1.000e+000FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep20742ModelPerspective21:18:39SatFeb122011Center:X:2.338e+001Y:6.000e+000Z:1.606e+001Rotation:X:360.000Y:0.000Z:360.000Dist:1.581e+002Mag.:5.96Ang.:22.500SELGeometryMagfac=1.000e+000SELGeometryMagfac=1.000e+000SELGeometryMagfac=1.000e+000（a）上顺槽（b）下顺槽图6工况一支护力学模型FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep24088ModelPerspective21:07:25SatFeb122011Center:X:3.120e+001Y:6.000e+000Z:1.392e+001Rotation:X:360.000Y:0.000Z:360.000Dist:1.581e+002Mag.:4.77Ang.:22.500SELGeometryMagfac=1.000e+000SELGeometryMagfac=1.000e+000SELGeometryMagfac=1.000e+000FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep21527ModelPerspective21:20:21SatFeb122011Center:X:2.420e+001Y:6.000e+000Z:1.606e+001Rotation:X:360.000Y:0.000Z:360.000Dist:1.581e+002Mag.:4.77Ang.:22.500SELGeometryMagfac=1.000e+000SELGeometryMagfac=1.000e+000SELGeometryMagfac=1.000e+000（a）上顺槽（b）下顺槽图7工况二支护力学模型数值模拟结果表明，注浆锚杆+钢带+菱形网+底角锚管支护较锚网+工字钢双棚支护在控制巷道围岩的变形、破坏场的发展及支护体的受力均匀程度上，都具有其独特的优越性，锚网+工字钢双棚在控制近距离煤层回采巷道的顶板及帮部变形上作用也较明显，但不能有效控制回采巷道的底臌，可能造成后期回采时需要多次对底板进行拉底等处理。结合南屯矿的实际情况，决定在93下05工作面回采巷道的稳定性控制采用锚网+工字钢双棚支护方式。现场应用结果表明，锚网+工字钢双棚支护系统能够较好的控制了巷道围岩位移（图8），保证巷道在服务期内的稳定性，效果良好。0612182430364248546066720102030405060708090100110120130140T/dU/mm图8掘进期间表面位移～时间关系曲线图通过大量的研究，对近距离煤层多维的、动态的、复杂的叠加应力场的分布特征有了